Evaluation of soil amplification factors in soft soils based on equivalent-linear and nonlinear ground response analyses

In the past few years, it was noticed that soil D profiles, soft soil according to the classification of NTC18, can cause numerical problems in the Equivalent Linear analysis method, which approximates the Non-linear soil behaviour using the shear modulus and damping degradation curves. In the current study 12 soil D profiles were selected from three sites with increasing seismic hazard and then analysed using two Equivalent Linear analyses on SHAKE program and a Non-linear analysis on DEEPSOIL software. Finally, also the 1D Non-linear program ONDA was used to analyse three out of the 12 soil profile previously selected and the main differences between the ONDA and DEEPSOIL were highlighted. For each profile, the effect of 7 site-specific earthquake ground motions was studied. Records were selected from SEISM-HOME database or ASCONA computer program, depending on the considered site and on the level of seismic hazard. Then, using the ratio between the area of the acceleration response spectra at the surface and the correspondent acceleration response spectra at the outcropping bedrock in pre-defined period intervals (DGR 630 2019; Regione Emilia Romagna), Ss factor described in NTC18 was computed. Then, for each profile, the acceleration response spectrum at the free surface computed with different approaches was approximated with the classical shape four-branches uniform acceleration response spectrum provided by the Italian Building Code (NTC 2008, NTC 2018) using a fitting technique. In this way, soil factor Cc defined in NTC18 was determined. Then both Ss and Cc were compared with the values proposed in recent publications. Ss and Cc are factors used in the simplified approach by the Italian Building Code to consider the soil amplification phenomena due to soil characteristics. Ss defines the maximum spectral acceleration, while Cc controls the corner period . In this thesis it is highlighted than when the soil deposit reaches high strain levels, the Equivalent Linear analysis may have problems and could give unrealistic results. This problem is particularly evident considering the site with the higher seismic hazard (higher PGA). It is visible that, increasing the seismic-hazard level, the differences between the Ss values of Non-linear analysis on DEEPSOIL and the Equivalent Linear analyses results increases. This trend is not confirmed looking the results of ONDA program and the main reasons for these differences will be investigated. Another aspect that is noticed is that the two Equivalent Linear analyses lead to increasing Cc values for increasing seismic-hazard as in NTC18, while the Non-linear analysis does not always reflect this trend.

Valutazione dei fattori di amplificazione del suolo in terreni soffici sulla base di analisi di risposta al suolo lineare-equivalente e nonlineare. Negli ultimi anni, si è notato che i profili di suolo D, terreno soffice secondo la classificazione delle NTC18, possono causare problemi numerici nel metodo di analisi Lineare Equivalente, la quale approssima il comportamento non lineare del suolo con le curve di decadimento del modulo di taglio e dello smorzamento. In questo studio sono stati selezionati 12 profili di suolo D da tre siti con pericolosità sismica crescente e quindi analizzati utilizzando due analisi Lineari Equivalenti sul programma SHAKE e un'analisi non lineare sul software DEEPSOIL. Infine, anche il programma Non lineare ONDA è stato utilizzato per analizzare tre profili di suolo sui 12 precedentemente utilizzati e sono state evidenziate le principali differenze tra ONDA e DEEPSOIL. Per ogni profilo è stato studiato studiato l'effetto di 7 accelerogrammi riferiti al singolo sito. Le registrazioni sono state selezionate dal database SEISM-HOME o dal programma per computer ASCONA, a seconda del sito considerato e del livello di pericolosità sismica. Quindi, utilizzando il rapporto tra l'area degli spettri di risposta in accelerazione in superficie e i corrispondenti spettri di risposta in accelerazione sul substrato roccioso affiorante per intervalli di periodo predefiniti (DGR 630 2019; Regione Emilia Romagna), viene calcolato il fattore Ss descritto nelle NTC18. Quindi, per ogni profilo, lo spettro di risposta in accelerazione alla superficie libera calcolato con approcci diversi è stato approssimato con lo spettro di risposta in accelerazione uniforme composto da quattro curve come espresso nel Codice delle Costruzioni Italiano (NTC 2008, NTC 2018) utilizzando una tecnica di fitting. In questo modo è stato determinato il fattore di suolo Cc definito nelle NTC18. Quindi sia Ss che Cc sono stati confrontati con i valori proposti nelle recenti pubblicazioni. Ss e Cc sono fattori utilizzati nell'approccio semplificato dal Codice delle Costruzioni Italiano per considerare i fenomeni di amplificazione del suolo dovuti alle caratteristiche del suolo stesso. Ss definisce l'accelerazione spettrale massima, mentre Cc controlla il periodo d'angolo. In questa tesi si evidenzia che quando il deposito del suolo raggiunge livelli di deformazione elevati, l'analisi lineare equivalente può avere problemi e potrebbe dare risultati non realistici. Questo problema è particolarmente evidente considerando il sito a maggiore pericolosità sismica (PGA maggiore). È visibile che, aumentando il livello di pericolosità sismica, aumentano le differenze tra i valori di Ss dell'analisi Non lineare su DEEPSOIL ed i risultati dell'analisi lineare equivalente. Questa tendenza non è confermata guardando i risultati del programma ONDA, le ragioni principali di queste differenze saranno spiegate nel §5.3.3. Un altro aspetto che si nota è che nelle due analisi Lineari Equivalenti i valori di Cc aumentano all’aumentare della pericolosità sismica come nelle NTC18, mentre l'analisi Non lineare non sempre riflette questa tendenza.